[发明专利]一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及制备方法，其特点是该摩擦纳米发电机的第一摩擦层或第二摩擦层表面具有微结构，第一电极层与第一摩擦层或第二电极层与第二摩擦层界面具有微结构；所述第一摩擦层与第二摩擦层面对面设置，在外力的作用下，其互相摩擦使第一电极层与第二电极层之间产生电能；所述摩擦纳米发电机的制备包括：电极、摩擦层及其贴合界面上刻蚀微结构。本发明与现有技术相比摩擦层表面以及电极层与摩擦层界面具有微结构，在外加机械力作用下，可以产生较高且较为稳定的电信号输出，制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，设备要求和制作成本低。

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，尤其是一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

目前，大多数电子设备都由电池供电，随着物联网技术的发展，电子设备正逐渐变得小型化，多功能化和移动化。使用电池存在着许多困难，例如环境污染以及难以回收利用。因此，迫切需要为电子设备找到合适的能源，从可再生的自然环境中收集能量是一种缓解能源危机的有效方法。摩擦纳米发电机（TENG）是一种可以将机械能转化为电能的能源装置，机械能包括但不限于风能，人体运动能，海洋能和机械能触发/振动等。它的基本工作机制是摩擦带电和静电感应的耦合作用，由于它具有低频率下的高能效，小体积和低成本，多种工作模式，多种材料可供选择以及广泛的应用领域等优点，已经可以应用于驱动可穿戴电子设备。

现有技术的摩擦纳米发电机，虽然在介质层掺入高介质常数的材料、做表面图形化、注入官能团或离子，来提高摩擦纳米发电机的电荷密度及转移效率。这些方法大多都是仅仅对摩擦层进行改善，虽然可以提高TENG的电学性能，但制造工艺复杂、成本高，不可大规模工业化生产，而且电学性能也稳定。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及其制备方，采用电极层与摩擦层界面，以及摩擦层或电极层上设置微结构，大大提高了摩擦纳米发电机的电荷密度和转移效率，其输出电能有显著增加，不但制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，而且设备要求和制备成本低，在外加机械力作用下，可以产生较高且较为稳定的电信号输出，可以更好的驱动微小电子器件工作，在微电子领域具有很好的应用前景。

本发明的目的是这样实现的：一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机，包括由第一电极层与第一摩擦层组成的第一发电部件，以及由第二电极层与第二摩擦层组成的第二发电部件，其特点是所述第二发电部件的第二摩擦层的上、下表面均设有微结构，第二电极层与第二摩擦层贴合的界面上设有微结构；所述第一发电部件的第一摩擦层的上、下表面或设有微结构，第一电极层与第一摩擦层贴合的界面上或设有微结构；所述第一发电部件或仅为第一电极层兼作的电极层和摩擦层；所述第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层按两摩擦层的接触设置可分为垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式或独立层模式的摩擦纳米发电机。

所述垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为垂直且面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的垂直外力，第一摩擦层与第二摩擦层周期性的接触与分离，使得第一电极层与第二电极层之间产生交流电信号。

所述水平滑动模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的水平外力，第一摩擦层与第二摩擦层发生相对滑动产生摩擦电荷，使得第一电极层与第二电极层之间产生交流电信号。

所述单电极模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件仅为第一摩擦层组成，第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为垂直且面对面的接触设置，并将第二电极层通过外部负载接地，当作用于摩擦面周期性的垂直外力，使第一摩擦层与第二摩擦层周期性的接触与分离，电子通过外部负载在接地和第二电极层之间流动，从而产生交流电信号。